一种直流充电设备功率模块动态切换系统及方法与流程

本发明涉及一种电动车充电技术，特别是一种直流充电设备功率模块动态切换系统。

背景技术

目前，市场上的直流充电设备依靠功率模块将输入的三相交流电经过整流、滤波和稳压后输出直流电流来提供充电车辆所需的电流，通过改变功率模块的数量来调节直流充电设备的功率等级，以此适用于多种类型的电动汽车。为了保证能够输出足够大的充电电流，充电设备内采用多台功率模块并联的方式进行电流输出，所需电流均分到每台功率模块。

大功率一体式多枪直流充电设备大多采用轮充或均充两种充电方式。轮充指的是当多辆电动汽车预约充电时，首先以最大功率给第一辆车充电，其余预约车辆排队等待充电，等前一辆车充电完成才能给下一辆汽车充电，即同一时间只能给一辆电动汽车充电。这种充电方式的优点就是能够全速地为一辆电动汽车充电，但在充电后期输出电流较小，功率模块的利用率低。

均充是能满足多辆车同时充电的模式，当只有一辆车充电时，与轮充方式类似，所有功率模块全速输出为车辆充电，如果有多台车充电时功率模块均分到多个充电口，实现多辆车同时充电。均充方式具有简单的功率分配功能，但仍无法避免充电后期功率模块利用率低的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种直流充电设备功率模块动态切换系统及方法，能够提高直流充电设备功率模块的利用率，从而提高充电设备的充电效率。

实现本发明目的的技术方案为：一种直流充电设备功率模块动态切换系统，包括控制模块、若干功率模块、若干切换模块、切换策略算法；每一切换模块与若干功率模块电连接，每一功率模块与唯一切换模块电连接，控制模块分别与每一功率模块和切换模块信号连接，控制模块与每一切换模块电连接，切换模块和每一充电口电连接；切换策略算法部分根据外部充电终端bms返回的电压电流要求，决定功率模块的分组及充电功率输出，一个或多个功率模块与同一外部终端电池连接为该终端供电，切换模块切换功率模块从与一个外部终端电池连接变为与另一个外部终端电池连接，充电主控系统中设置充电优先级列表，充电优先级列别中记录外部终端电池获得功率模块充电的顺序，控制模块根据bms返回的电流电压指标，对比空闲的功率模块可提供的功率，产生分配功率模块的指令。

一种直流充电设备功率模块动态切换方法，包括：

充电主控系统生成充电优先级；

控制模块根据最高优先级的外部终端bms返回的充电需求，即电流和电压，为其分配功率模块，保证其充电功率；

切换策略算法实时比较外部终端的充电需求和功率模块的满载输出，并根据充电优先级适时为次优先级的外部终端电池分配所需的充电功率；

按充电优先级分配功率模块，上一级优先级的电池按照其所需充电功率分配功率模块，若有剩余则将剩余功率模块切出分配给下一级优先级的电池。

本发明与现有的技术相比，其优点在于：(1)根据外部终端电池适时所需的功率状态调整功率模块的数量，实现充电过程中功率模块的动态切换，提高了直流充电设备在充电后期功率模块的利用率；(2)切换模块可以根据需求并联扩展，控制模块支持不同规模的切换模块，实现一块控制电路稳定控制多个切换模块。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明系统原理框图。

图2为本发明功率模块动态切换装置在双枪直流设备中的配置方式示意图。

具体实施方式

结合图1，一种直流充电设备功率模块动态切换系统，包括控制模块1、若干功率模块群2、切换单元3和切换策略算法模块。切换单元3包括若干切换模块。每一切换模块与若干功率模块电连接，每一功率模块与唯一切换模块电连接，控制模块分别与每一功率计算模块和控制模块信号连接，控制模块与每一切换模块电连接，切换模块和每一充电口电连接。

切换策略算法模块根据外部充电终端bms返回的电压电流要求，决定功率模块的分组及充电功率输出，每一充电接口对应的功率模块为一组，充电功率输出由bms返回的电压电流要求决定。一个或多个功率模块与同一外部终端电池连接为该终端供电，切换模块切换功率模块从与一个外部终端电池连接变为与另一个外部终端电池连接，切换策略算法模块中设置充电优先级列表，充电优先级列表中记录外部终端电池获得功率模块充电的顺序，控制模块根据bms返回的电流电压要求，对比空闲的功率模块可提供的功率，产生分配功率模块的指令，控制模块向切换模块发送分配功率模块的指令。

每一切换模块3-i(i＝1,2,···,m)与若干功率模块2-j(j＝1,2,···,n)电连接，每一功率模块2-j(j＝1,2,···,n)与唯一切换模块电连接，控制模块1分别与每一功率模块和切换模块信号连接；切换策略算法部分根据外部充电终端bms返回的电压电流要求，决定功率模块的分组及充电功率输出，一个或多个功率模块2-j与同一充电口4-k(k＝1,2,···,m)连接且为对应外部终端供电，切换模块3-i在控制模块1的控制下切换功率模块2-i从与一个充电口连接变为与另一个充电口连接，充电主控系统中设置充电优先级列表，充电优先级列表中记录充电口4获得功率模块充电的顺序，控制模块1的切换策略算法根据外部终端bms返回的充电需求产生分配功率模块的指令，控制模块1向切换单元3发送分配功率模块的指令。

每一切换模块3-i包括2n个开关器件，每一功率模块2-j的输出有两路，分别为out+和out-；功率模块6的out+和out-分别通过切换模块的n个开关器件与n个充电口的对应极接口相连。

装置的硬件由控制电路、igbt驱动电路和保护电路组成。控制电路一方面接收充电设备主控系统的充电数据和切换模块3-i传来的工作状态消息，另一方面需要向功率模块2-j和切换模块3-i发送控制指令。由于目前的小型直流充电桩普遍配置四个切换模块3-i，并以双枪充电口居多，大型直流充电桩会在此基础上倍增。所以切换模块的最小单元以双枪直流桩为标准，每个切换模块基础单元上搭载4个igbt开关器件，可以实现一个功率模块的两路输出与两个充电口的正负极接线之间的切换，即每个igbt电连接在功率模块的输出和充电口的输入线之间。igbt驱动电路采用双通道隔离驱动模块，每个igbt需要单独驱动。保护电路包括igbt过压保护电路和温度检测电路。igbt过压保护电路用来抑制igbt关断时产生尖峰电压，温度检测电路采用微型化数字温度传感器检测igbt的实时温度。

结合图2，以双枪直流充电设备为例，每个切换模块3由八个开关器件组成，一个切换模块3可以搭配两个功率模块2实现输出切换。n个功率模块2分组通过相应的切换模块3与两个充电接口连接，切换模块3的不同开关器件在控制模块1的控制下相应的打开或关闭实现充电端口不同功率的替换。

装置的软件采用多任务处理框架，其功能模块包括切换策略、切换控制和故障处理。切换策略由充电检测任务和切换判定任务组成，充电监测任务用于监测所有充电车辆的实时充电信息，包括车辆的充电需求信息和充电设备的实际输出信息，切换判定任务实现功率模块的自动分配以及功率模块的动态切换。切换控制由模块分组任务和开关切换任务构成，当切换策略模块确定了功率模块的分配方法或者动态切换后，需要对所涉及到的功率模块进行重新分组，将功率模块分配给不同的充电车辆，在功率模块重新分组的同时也需要改变切换模块中的开关状态没实现功率模块的输出切换。故障处理则是对功率模块动态切换装置运行过程可能遇到的故障进行检测及处理。软件运行的总体流程为：设备上电后进行各硬件模块的初始化，随后在主函数中循环往复地调用各个子函数，当有硬件中断触发时，进入中断服务程序进行数据处理，运行结束后重新回到主函数中。

软件中的动态切换控制策略包括以下三个方面：

(1)充电优先级的划分：每台直流充电设备的最大输出功率有限，当有多个外部终端电池进行充电时需要为每个外部终端电池进行充电功率的分配。为了使充电功率的分配按照一定规则进行，需要给每个外部终端电池设定充电优先级，按照充电优先级的顺序分配充电功率，从而保证充电管理的有序性。充电优先级取决于充电外部终端电池与充电端口连接的先后顺序，即先与充电设备充电端口连接的外部终端电池具有高充电优先级。如果高优先级的外部终端电池充电完成或者提前结束充电，则低优先级的外部终端电池优先级自动上升一级。若发生多个外部终端电池同时与充电端口相连的情况，则按照充电端口的编号来确定外部终端电池的充电优先级，即与编号靠前的充电端口相连的外部终端电池具有较高充电优先级。

(2)充电功率分配与功率模块动态切换的判定方法：当外部终端电池的优先级确定后，充电设备首先为充电优先级最高的外部终端电池分配其所需的充电功率，通过分析其bms发出的充电需求报文，经计算后为其分配相应数量的功率模块。在满足了最高充电优先级外部终端电池的功率需求后仍有闲置的功率模块，则为充电优先级第二高的外部终端电池分配充电功率，分配方法与前面类似，仍需通过分析车辆充电需求。如果此时剩余的功率模块总输出无法满足外部终端电池的充电需求，则将所有功率模块都分配到该外部终端电池的充电为其提供充电功率；如果剩余功率模块总输出能满足其充电需求，则经过计算后为其分配相应数量的功率模块即可，所剩充电模块则用于分配给优先级更低的外部终端电池，分配方法同上。

(3)随着充电的进行，外部终端电池组的电动势会增加，充电电流会逐渐减小，因此外部终端电池的充电需求也会发生变化。通过不断监测充电设备的实际输出和充电车辆的充电需求，当发现外部终端电池的充电需求下降到可以减少功率模块的数量就可以满足时，则将功率模块切出，通过提高剩余功率模块的输出保证外部终端电池的充电不受影响。切出的功率模块根据实时的充电情况需要再次分配。如果此时低充电优先级的外部终端电池的充电需求无法满足的话则将从高充电优先级的充电进程中切出的功率模块投入到该充电进程中去，从而实现功率模块的动态切换。若此时所有充电外部终端电池的充电需求都得到满足或者没有其他车辆正在充电，则所有切出的模块处于待机状态，等待外部终端电池前来充电。按照这样的切换方法，当充电优先级高的车辆充电快要结束时，只有少量的功率模块留在该充电进程中，其他模块要么投入到新的充电进程中去，要么处于待机状态等待车辆前来充电。

具体地，一种直流充电设备功率模块动态切换方法，包括以下步骤：

步骤s1，充电主控系统生成充电车辆优先级列表；

步骤s2，控制模块获取当前优先级最高的外部终端电池bms上报的充电需求，并完成步骤s201至s204的工序；

步骤s201，控制模块对比优先级最高的外部终端电池的充电需求i1和单个功率模块的额定输出ie，优先满足其需求的情况下，确定给当前充电进程分配的功率模块数量num1；

步骤s202，如果s201的分配结果有功率模块剩余，则按分配情况对功率模块群重新发送分组指令；如果功率模块没有剩余，则保留功率模块的默认分组；

步骤s203，控制模块给切换单元发送指令，打开优先级最高的充电进程所需用到的功率模块和对应充电口之间的电连接，断开功率模块和其他充电口之间的电连接；

步骤s3，控制模块根据当前充电进程中的外部终端电池bms上报的充电需求，完成步骤s301至s304的工序；

步骤s301，如果(num1-1)*ie<i1≤num1*ie，则保持功率模块分组不变，然后转至s303步骤；

步骤302，如果(num1-2)*ie<i1≤(num1-1)*ie，则对功率模块群重新分组，切出当前分组中最后一个功率模块，若下一级优先级有车辆排队，则投入到下一优先级的充电进程中，没有则空闲，然后转至s303；

步骤303，根据当前进程中外部终端电池bms发送的充电需求，给当前进程中的功率模块发送指令，调整每个模块的输出功率；

步骤s4，若为优先级最高的外部终端电池分配完功率模块后还有剩余模块数num2，则开启优先级第二高的车辆充电，控制模块获取当前优先级第二高的外部终端电池bms上报的充电需求i2，计算其所需充电功率并完成步骤s401至s403的工序；

步骤s401，如果i2>num2*ie，则剩余功率模块均给该充电进程服务，并且控制模块发送指令使其均输出额定功率，然后转至s404；

步骤s402，如果(num2-1)*ie<i2≤num2*ie，则保持功率模块原分组不变，然后转至s404；

步骤s403，如果(num2-2)*ie<i2≤(num2-1)*ie，则对改进程中的功率模块组重新进行分组，切出当前分组中的最后一个模块，如果低一级优先级有车辆排队，则投入到低一级优先级的充电进程中，没有则空闲，然后转至s404；

步骤s404，根据当前进程中外部终端电池bms发送的充电需求，给当前进程中的功率模块发送指令，调整每个模块的输出功率；

步骤s5，如果为以上两级优先级充电进程分配完后仍有功率模块剩余或者第二优先级中有功率模块切出，则开启第三优先级的充电进程，一直到最低优先级的充电进程，其步骤与s4一致。

充电过程重复以上步骤s3、s4和s5。

若所有外部终端电池的充电需求都得到满足或者没有其他外部终端电池正在充电，则所有切出的功率模块处于待机状态，等待外部终端电池前来充电。当最高优先级的充电进程结束后，其充电口退出优先级列表，其他的充电进程优先级依次前移一位。同时按照s2的步骤，给新的最高优先级充电进程，即原先的第二优先级进程，分配充电功率。